一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法与流程

本发明涉及电气化铁路供电技术领域。

背景技术：

牵引变压器普遍存在负载率低，导致牵引供电系统设备利用效率低，运行成本高。削峰填谷作为电力负荷重要的管理措施，可以缓和牵引负荷波动，缓解峰值功率对系统和设备带来的压力。即在负荷高峰时放电，在负荷低谷时充电。利用储能装置削峰填谷的特点，有利于提高变电设备利用率，节省设备扩容、更新费用，降低牵引供电成本。

基于以上因素，为进一步优化电气化铁路牵引变电所经济节能运行，提出一种电气化铁路同相储能供电构造及控制方法。本课题组于2017年7月5日申请了专利《一种电气化铁路储能同相供电装置及其控制方法》(申请公布号：cn107104444a)，公开了一种电气化铁路储能同相供电装置，采用了单相背靠背变流器和储能器构造，并公布了其削峰填谷实时控制策略和负序控制策略。并于2019年4月24时申请了另一类型同相储能装置《一种电气化铁路同相储能供电构造及其控制方法》(申请号：101910332002.3)，基于三相交-直变流器、dc/dc变换器和储能器，采用了分类分组结构，便于按需扩展，并提出按功能区间分类进行充放电控制和电能质量补偿控制，有利于提高再生制动能量利用率和储能装置容量利用率。然而，上述发明主要针对电气化铁道同相供电技术。

目前电气化铁路中较多采用传统牵引变电所，传统牵引变电所有两个供电臂，由于每个供电臂的牵引负荷分布不均，产生负序问题，引起电力系统三相电压不平衡。因此，如何解决传统牵引变电所电气化铁路削峰填谷和负序补偿是急需研究的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于牵引变电所供电储能构造及其控制方法，它能有效地解决电气化铁路牵引变电所经济节能运行的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种牵引变电所供电储能构造，包括牵引变电所用于向电气化铁路供电臂提供电能的馈入线和工作母线，所述馈入线分为第一馈入线f1和第二馈入线f2，工作母线分为第一工作母线bb1和第二工作母线bb2；第一工作母线bb1通过第一馈入线f1接入电源，第二工作母线bb2通过第二馈入线f2接入电源；由第一工作母线bb1和第二工作母线bb2各自引出工作馈线，共计六路，分别记为第一工作馈线f11、第二工作馈线f12、第三工作馈线f13，第四工作馈线f21、第五工作馈线f22、第六工作馈线f23；所述工作馈线设有电流互感器，其中，第一工作馈线f11设有第一电流互感器ct11、第二工作馈线f12设有第二电流互感器ct12、第三工作馈线f13设有第三电流互感器ct13、第四工作馈线f21设有第四电流互感器ct21、第五工作馈线f22设有第五电流互感器ct22、第六工作馈线f23设有第五电流互感器ct23；其中，第一工作馈线f11、第四工作馈线f21分别向各自供电臂的电力机车供电；单相交直交变流器ada的两个交流侧分别与第三工作馈线f13、第六工作馈线f23连接，用于负序超标时补偿系统负序；储能装置包括第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2和储能设备sd，第一交直变流器ad1的交流侧与第二工作馈线f12连接，第二交直变流器ad2的交流侧与第五工作馈线f22连接，第一交直变流器ad1的直流侧、第二交直变流器ad2的直流侧均与储能装置sd直流侧连接，用于削峰填谷充放电控制；控制器cd的信号端p1～p6钮分别与第一电流互感器ct11、第二电流互感器ct12、第三电流互感器ct13、第四电流互感器ct21、第五电流互感器ct22和第六电流互感器ct23的输出端连接，所述控制器cd的双向信号端p7～p10钮分别与第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2、储能设备sd、单相交直交变流器ada的控制端相连。

一种牵引变电所供电储能构造的控制方法，记第一电流互感器ct11的电流为i11，第二电流互感器ct12的电流为i12，第三电流互感器ct13的电流为i13、第四电流互感器ct21的电流为i21、第五电流互感器ct22的电流为i22、第六电流互感器ct23电流为i23，牵引负荷功率因数牵引负荷阈值电流为iref，其特征在于：当i11+i21>iref时：

(1)若i11≥0，且i21≥0，则控制器cd控制第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2以及储能设备sd向第一工作母线bb1和第二工作母线bb2放电，放电比例为和放电总电流大于或等于i11+i21-iref；

(2)若i21<0，则控制器cd控制第一交直变流器ad1向第一工作母线bb1放电，放电电流大于或等于i11+i21-iref；

(3)若i11<0，则控制器cd控制第二交直变流器ad2向第二工作母线bb2放电，放电电流大于或等于i11+i21-iref。

当i11+i21<iref时：

(1)若i11>0，且i21>0，则控制器cd控制第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2分别由第一工作母线bb1、第二工作母线bb2向储能设备sd充电，充电比例为和充电总电流小于或等于iref-i11+i21；

(2)若i11>0，且i21<0，则控制器cd控制第二交直变流器ad2由第二工作母线bb2向储能设备sd充电，充电电流小于或等于iref-i11+i21；

(3)若i11<0，且i21>0，则控制器cd控制第一交直变流器ad1由第一工作母线bb1向储能设备sd充电，充电电流小于或等于iref-i11+i21；

(4)若i11<0，且i21<0，则控制器cd控制第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2分别由第一工作母线bb1、第二工作母线bb2向储能设备sd充电，充电比例为和充电总电流小于或等于iref-i11+i21。

当第一馈入线f1和第二馈入线f2产生的负序电流>国标允许值时，控制器cd控制单相交直交变流器ada进行第一馈入线f1和第二馈入线f2的功率调度，调度量为[(i11+i12)-(i21+i22)]/p，p≥2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可实现异相牵引供电系统储能节支经济运行。

2、本发明兼顾牵引变电所削峰填谷和负序补偿双重功能。

3、本发明控制方法简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例一中电路构造示意图。

图2是本发明实施例二中控制方法流程图。

图3是本发明实施例三中的负序补偿控制方法流程图。

具体实施方式

本发明的工作原理是：通过检测两牵引臂馈线电流值来判别牵引变电所负荷大小，控制储能装置放电，进行削峰填谷，缓和牵引负荷剧烈波动，优化电气化铁路牵引变电所经济节能运行；对两牵引供电臂功率进行调度，实施负序补偿。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种牵引变电所供电储能构造，用于牵引变电所削峰填谷和负序补偿的供电储能构造，其中，所述牵引变电供电储能构造包括用于向电气化铁路牵引变电所两侧的供电臂提供电能的馈入线、工作母线和工作馈线、用于负序超标时补偿系统负序的单相交直交变流器ada、用于削峰填谷充放电控制的储能装置、用于检测馈线电流的电流互感器和用于协调储能装置实时充放电控制和负序补偿控制的控制器cd。

所述的馈入线为第一馈入线f1和第二馈入线f2，所述的工作母线为第一工作母线bb1和第二工作母线bb2，所述的工作馈线为第一工作馈线f11、第二工作馈线f12、第三工作馈线f13、第四工作馈线f21、第五工作馈线f22和第六工作馈线f23，所述第一工作母线bb1通过第一馈入线f1引入电源，所述第二工作母线bb2通过第二馈入线f2引入电源，所述第一工作馈线f11、第二工作馈线f12和第三工作馈线f13与第一工作母线bb1连接，所述第四工作馈线f21、第五工作馈线f22和第六工作馈线f23与第二工作母线bb2连接，分别向各自供电臂的电力机车供电。

所述单相交直交变流器ada两个交流侧分别与第三工作馈线f13和第六工作馈线f23连接；

所述储能装置包括第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2和储能设备sd，所述第一交直变流器ad1交流侧与第二工作馈线f12连接，所述第二交直变流器ad2交流侧与第五工作馈线f22连接，所述第一交直变流器ad1直流侧、第二交直变流器ad2直流侧和储能装置sd直流流侧连接；

所述电流互感器为第一电流互感器ct11、第二电流互感器ct12、第三电流互感器ct13、第四电流互感器ct21、第五电流互感器ct22和第六电流互感器ct23，所述第一电流互感器ct11、第二电流互感器ct12、第三电流互感器ct13、第四电流互感器ct21、第五电流互感器ct22和第六电流互感器ct23分别安装于第一工作馈线f11、第二工作馈线f12、第三工作馈线f13、第四工作馈线f21、第五工作馈线f22和第六工作馈线f23；

所述控制器cd的信号端钮p1-p6分别与第一电流互感器ct11、第二电流互感器ct12、第三电流互感器ct13、第四电流互感器ct21、第五电流互感器ct22和第六电流互感器ct23的输出端连接，所述控制器cd的双向信号端钮p7-p10分别与第一交直变流器ad1的控制端、第二交直变流器ad2的控制端、储能设备sd的控制端和单相交直交变流器ada的控制端相连。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供了一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法，用于牵引变电所供电储能构造的削峰填谷和负序补偿，其中，记第一电流互感器ct11电流为i11，第二电流互感器ct12电流为i12，第三电流互感器ct13电流为i13、第四电流互感器ct21为i21、第五电流互感器ct22为i22和第六电流互感器ct23电流为i23。目前高速铁路主要以交直交电力机车为主，其功率因数高，其值接近于1，此处记牵引负荷功率因数在两部电价制实施情况下，因牵引变压器容量利用率较低，牵引供电系统基本电费一般采用最大需量作为电价计费方式。最大需量以用户申请，电力企业核准数为准，超过核准数的部分，加倍收费。用户申请最大需量低于变压器与高压电动机容量总和的40％时，则按总容量的40％核定最大需量；但如果电网负荷紧张时，供电企业限制用户最大需量低于容量40％时，可按低于40％的容量核定。牵引变电所最大需量契约值对应的牵引负荷电流称为牵引负荷阈值电流，记为iref。当牵引负荷大于最大需量核准契约值时，牵引变电所总负荷电流也随之大于阈值电流iref，面临加倍收费。

(1)当i11+i21>iref：

(a)若i11≥0，且i21≥0，即，第一工作馈线f11和第四工作馈线f21上的电力机车均处于牵引工况，则控制器cd控制第一交直变流器ad1、第二交直变流器ad2和储能设备sd向第一工作母线bb1和第二工作母线bb2同时放电，放电比例为和控制放电总电流大于或等于i11+i21-iref，实现牵引变电所负荷的削峰，避免负荷超过最大需量核准契约值，缓和牵引负荷的波动；

(b)若i21<0，即，第一工作馈线f11上的电力机车处于牵引工况，第四工作馈线f21上的电力机车处于再生制动工况，则控制器cd控制第一交直变流器ad1向第一工作母线bb1放电，放电电流大于或等于(i11+i21-iref)；

(c)若i11<0，即，第一工作馈线f11上的电力机车处于再生制动工况，第四工作馈线f21上的电力机车处于牵引工况，则控制器cd控制第二交直变流器ad2向第二工作母线bb2放电，放电电流大于或等于(i11+i21-iref)；

(2)当i11+i21<iref：

(a)若i11>0，且i21>0，即，第一工作馈线f11和第四工作馈线f21上的电力机车均处于牵引工况，则控制器cd分别控制第一交直变流器ad1和第二交直变流器ad2由第一工作母线bb1和第二工作母线bb2向储能设备sd充电，充电比例为和控制充电总电流小于或等于(iref-i11+i21)，实现牵引变电所负荷的填谷，避免负荷超过最大需量核准契约值，补充储能设备sd的能量，缓和牵引负荷的波动；

(b)若i11>0，且i21<0，即，第一工作馈线f11上的电力机车处于牵引工况，第四工作馈线f21上的电力机车处于再生制动工况，则控制器cd控制第二交直变流器ad2由第二工作母线bb2向储能设备sd充电，充电电流小于或等于(iref-i11+i21)；

(c)若i11<0，且i21>0，即，第一工作馈线f11上的电力机车处于再生制动工况，第四工作馈线f21上的电力机车处于牵引工况，则控制器cd控制第一交直变流器ad1由第一工作母线bb1向储能设备sd充电，充电电流小于或等于(iref-i11+i21)；

(d)若i11<0，且i21<0，即，第一工作馈线f11和第四工作馈线f21上的电力机车均处于再生制动工况，则控制器cd分别控制第一交直变流器ad1和第二交直变流器ad2由第一工作母线bb1和第二工作母线bb2向储能设备sd充电，充电比例为和充电总电流小于或等于(iref-i11+i21)。

实施例三

如图3所示，本发明实施例提供了一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法，用于牵引变电所供电储能构造的削峰填谷和负序补偿，当第一馈入线f1和第二馈入线f2产生的负序电流>国标允许值时，控制器cd控制单相交直交变流器ada进行第一馈入线f1和第二馈入线f2的功率调度，调度量为[(i11+i12)-(i21+i22)]/p，p≥2。

负序电流会引起公共连接点电压不平衡。根据国标gb/t15543-2008中对电压不平衡度限值要求，电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2％，短时不得超过4％。对于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不衡度允许值一般为1.3％，短时不超过2.6％。

对于电气化铁路牵引变电所三相/两相接线变压器，可通过第一工作母线bb1和第二工作母线bb2之间的功率(电流)调度来降低三相电力系统电压不平衡度。理想情况下电压不平衡度可降为0，此时调度量最大，p取值2，实际中可根据国标要求合理选择调度量。

因此，本发明实施例有利于优化电气化铁路牵引变电所储能节支经济节能运行，从而达到牵引负荷消峰和降低系统运行费用，也能有效利用列车再生制动能量。同时，本发明实施例能够治理电压不平衡度在国标规定的范围内。